비휘발성 DRAM 실현을 노리는 저항 변화 메모리

특히 관심이 높았던 것은 소니와 마이크론 테크놀로지(Micron Technology)가 공동 개발 중인 차세대 대용량 비휘발성 메모리에 관한 발표다. 양사는 16Gbit의 대용량 저항 변화 메모리(ReRAM) 기술의 개발 성과를 보고했다.(강연 번호 6.2)

소니는 ReRAM의 연구 개발 상황을 2007년 IEDM(IEDM 2007)을 비롯한 몇몇 국제 학회에서 발표했고 4년전에는 4Mbit의 ReRAM 칩을 국제 학회 ISSCC 2011에서 발표하고 있다.

ReRAM의 연구 개발에서는 세계를 선도하는 입장에 있는 소니지만 메모리 반도체 사업의 실적이 전무해 대용량화와 사업화를 위해서는 파트너 기업이 필요했다.

소니의 공동 개발 파트너인 Micron Technology는 메모리 반도체에서는 세계에서 2위의 대형 벤더다. 주요 제품 계열은 대용량 DRAM과 대용량 NAND 플래시 메모리로 일찍이 DRAM과 NAND 플래시 메모리의 차세대 대용량 비휘발성 메모리 연구 개발을 하기 시작했다. 특히 "상변화 메모리(PCM 또는 PRAM) 에서는 128Mbit 제품을 상품화한 실적이 있다. 그러나 최근 Micron은 PCM의 대용량화는 별로 두드러진 움직임을 보이지 않고 있다.

이에 비해 ReRAM의 공동 개발에서 기억 소자 기술을 갖고 있는 소니와 메모리 생산 기술을 가진 Micron의 조합은 아주 잘 진행되고 있는 것처럼 보이며 2014년 2월 국제 학회 ISSCC 2014 에서 16Gbit 와 대용량 ReRAM 칩을 공동으로 발표하기까지 개발을 추진할 수 있었던 ISSCC 2014에서는 회로 기술을 보고하고 이번 IEDM 2014에서는 디바이스 기술을 공표했다.

발표된 16Gbit ReRAM 기술의 개발 방향성은 "비휘발성 DRAM"이다. DRAM에 가까운 액세스 성능을 갖추면서 비휘발성을 갖는다는 메모리다. DRAM은 대기시 소비 전류가 존재하는 반면 ReRAM은 전원을 꺼 원리적으로는 대기시 소비 전류를 제로로 할 수있다. 16Gbit라는 기억 용량은 원칩으로 2GB의 주 기억을 실현할 수 있음을 의미한다. 미디어 태블릿과 스마트폰 등의 주 기억 용도에는 아주 매력적인 메모리인 것은 명백한 것.

실제로 개발된 ReRAM 칩은 DDR 인터페이스를 갖추고 있어 DDR SDRAM으로 전환하기 쉽다. 제조 기술은 27nm CMOS, 3층 금속 배선(구리 배선)으로 지금도 최첨단 DRAM 제조 기술에 가깝다. 메모리 셀의 설계 크기는 6×(F의 2제곱, F는 설계 방식)으로 이것도 DRAM 셀의 설계 크기와 맞춰지고 있다.

메모리 셀의 설계 크기가 DRAM 셀과 같은 6×(F의 2제곱)은 대량 생산 실적이 없는 디바이스인 ReRAM에 있어서는 상당히 어렵고 비쌀 것 같은 밀도다. 하지만 이 정도의 고밀도 메모리 셀을 설계하지 않으면 DRAM에 대항할 수 있는 낮은 제조 비용이 안 된다는 딜레마가 있다.

발표한 메모리의 성능은 읽기 처리량의 설계치가 1GB/sec, 쓰기 처리량의 설계치가 200MB/sec 인 반면  프로토 타입 실리콘 다이의 실측에서는 각각 900MB/sec, 180MB/sec 라는 값을 얻고 있다. 시제품으로는 상당히 양호한 값으로 예를 들어 읽기 500MB/sec, 쓰기 100MB/sec 라는 제품 사양이 된다면 상품화의 가능성은 적지 않게 보인다.

ReRAM 메모리 셀은 1개의 기억 소자와 1개의 셀 선택용 MOS 트랜지스터로 구성된다. 기억 소자는 구리 텔루륨(CuTe)막과 절연 피막을 조합한 것. 이 재료의 조합은 소니가 단독으로 ReRAM을 연구하던때부터 계속 마찬가지로 동사는 이 기억 소자에 상당한 자신감을 갖고 있는 것처럼 보인다.

ReRAM은 기억 소자에 대한 인가 전압의 조합에 의해서 전기 저항을 바꾸고(프로그래밍 혹은 쓰기) 프로그래밍에는 기억 소자의 저항치를 낮추는 "세트(Set)동작"과 기억 소자의 저항 값을 올린다 "리셋(Reset)동작"이 있다. 어려운 것은 리셋 동작에서 저항 값의 편차가 커 이 차이를 어느 정도까지 억제하느냐가 양산의 수율(즉 제조 비용)을 좌우한다.

 

캐시용 자기 메모리 저소비와 미세화를 실현

도시바가 개발 중인 스핀 주입 자성 기억기(STT-MRAM)에 관한 보고도 흥미로웠다.(강연 번호 28.1) 대규모 고성능 프로세서의 온 칩 캐시에 대한 응용을 겨냥한 연구 성과다.

대규모 고성능 프로세서는 캐시의 계층을 늘림으로써 메모리 액세스의 성능을 향상시켜 왔다. 최첨단 프로세서에는 3차(L3) 캐시 혹은 4차(L4) 캐시를 탑재하고 있다. 이들의 최하층에 위치하는 캐시 "라스트 레벨 캐시(LLC)"는 기억 용량의 증대가 현저하다.

 

기존 프로세서의 온 칩 캐시 메모리에는 고속 SRAM 기술이 사용되어 왔다. SRAM 기술은 대기시에도 전류를 소비하고 소비 전류의 크기는 기억 용량에 거의 비례하여 증가한다. 도시바의 보고에는 모바일 기기용 대규모 프로세서에서 온 칩 SRAM 캐시의 대기 소비 전력이 프로세서 전체 평균 소비 전력 비율의 8할에 달한다고 한다.

그래서 용량이 큰 LLC 메모리 기술을 SRAM이 아니라 비휘발성 메모리로 변경하는 것으로 대기시 소비 전력을 낮춘다는 생각이 부각되어 왔다. LLC가 비휘발성 메모리인 경우 전원을 끄면 원칙적으로 대기시 소비 전력이 제로가 되기 때문이다. 또 비휘발성 메모리 기술의 대부분은 기억 밀도가 SRAM 보다 높다. SRAM이 1개의 메모리 셀에 최소 6개의 트랜지스터를 필요로 하는 반면 비휘발성 메모리의 메모리 셀은 1개의 기억 소자와 1개의 셀 선택 트랜지스터로 구성할 수 있기 때문이다. 이 때문에 제조 비용에서도 SRAM 기술보다 가능성이 높다.

비휘발성 메모리 기술에는 여러 후보가 존재하지만 캐시용 유력 후보는 자성 기억기(STT-MRAM) 기술이다. STT-MRAM 기술이 캐시로 적절하다고 생각되는 이유는 읽고 쓰는 수명이 반 영구적인 것으로 랜덤 접근이 비교적 빠른 것이다. 다른 비휘발성 메모리 기술인 상변화 메모리와 저항 변화 메모리는 속도와 수명에 불안감이 있다. 변경이 자주 발생하는 캐시 용도에서는 자기 메모리 이외의 기술은 생각하기 어렵다.

문제는 STT-MRAM에서 기입 전류가 비교적 큰 것과 속도가 SRAM에 비하면 다소 낮은 것이다. 쓰기 전류가 큰 것은 메모리 셀의 셀 선택 트랜지스터가 커지는(게이트 폭이 넓어진다) 것을 의미한다. 트랜지스터가 커지면 메모리 셀의 면적이 증가하고 SRAM 셀에 비해 제조 비용의 우위성이 저하된다.

그래서 도시바는 기억 소자인 "자기 터널 접합(MTJ)"을 미소하게 함으로써 쓰기 전류를 낮춰 선택 트랜지스터를 줄이고 메모리 셀을 미세화했다. 구체적으로는 2개의 트랜지스터와 2개의 MTJ로 구성되는 메모리 셀의 경우 가공 치수에 대한 메모리 셀 크기를 SRAM 셀의 2할 정도로 축소했다. 캐시가 소비하는 에너지는 SRAM 캐시에 60% 감소로 크게 낮아져 성능(속도)의 저하는 7%에 불과하다.

또 제조 프로세스는 MTJ의 특성을 떨어뜨리지 않도록 공정의 순서를 고안했다. 그 동안의 STT-MRAM은 MTJ를 형성하고 배선층을 형성한다는 공정 순서가 많았다. 이에 도시바는 배선층을 형성하고부터 MTJ를 형성하도록 변경했다. 이렇게 하면 MTJ의 형성 후에 고온 처리가 존재하지 않고 MTJ의 특성이 열 처리에 의해 퇴화되지 않아 MTJ의 제품 수율 향상을 기대할 수 있다.

차세대 대용량 비휘발성 메모리에 대한 연구열이 떨어지고 있다. 현실적인 솔루션을 냉정하게 추구하고 지속적인 개발 노력을 통해 제품으로 완성 시기에 들어간 것으로 보인다. 저항 변화 메모리, 자기 메모리, 상변화 메모리가 그동안의 3대 후보였다. 상변화 메모리는 소비 전류의 크기가 문제가 되면서 대용량 메모리의 유력 후보에서 탈락한 것처럼 보인다. 그리고 격차의 문제에서 자기 메모리도 대용량 화의 과정이 붙지 않고 온 칩 캐시로 응용 방향을 틀고 있다. 나머지 저항 변화 메모리만 DRAM과 NAND플래시 메모리의 갭을 메우는 "스토리지 클래스 메모리(SCM)"의 후보로 좁혀지고 있는것 같다.

소니는 2013년 8월에 개최된 플래시 메모리 업계의 이벤트 "Flash Memory Summit"에서 2015년에 적어도 16Gbit의 기억 용량을 갖춘 스토리지 클래스 메모리(SCM)를 제품화하는 것이 목표라고 밝혔다. 이것이 현실이 되기를 기대한다.